智能化點檢系統(tǒng)在煤礦開采設備中的應用研究

劉彩利，張 燕

(西安外事學院，陜西 西安 710077)

隨著社會對煤礦資源需求量的不斷提升，對煤礦開采效率要求越來越高，為了滿足社會工業(yè)的快速發(fā)展，我國每年都會開展大量的煤礦資源，這對煤礦開采設備要求越來越高[1]。設備作為煤礦開采的重要基礎，其可靠穩(wěn)定運行是保證煤礦安全生產和提升煤礦開采效率的基石。但煤礦開采環(huán)境相對比較復雜，導致開采設備容易出現(xiàn)各種缺陷問題，比如機械變形、腐蝕、氧化等，對設備的正常運行構成了嚴重威脅[2]。為了保證設備的運行安全性和穩(wěn)定性，通常需要定期對設備開展點檢工作，目的在于及時發(fā)現(xiàn)設備存在的缺陷問題，并采取措施進行處理[3]。但傳統(tǒng)的點檢方案難以對工作人員進行監(jiān)督，點檢效率相對較低，難以保障點檢工作的效果質量[4]。基于此，本研究充分結合煤礦實際情況，設計研究了智能化點檢系統(tǒng)，可有效規(guī)避傳統(tǒng)點檢方案在實踐中存在的缺陷問題，提升設備點檢的質量和效果。在促進煤礦開采設備長時間可靠穩(wěn)定運行方面發(fā)揮著非常重要的理論和實踐意義。

1 智能化點檢系統(tǒng)的整體方案和功能設計

1.1 系統(tǒng)整體方案設計

在充分考慮煤礦基本情況的基礎上，對智能化點檢系統(tǒng)進行了深入的分析與研究，設計的煤礦開采設備智能化點檢系統(tǒng)整體方案框圖如圖1所示。從圖1中可以看出，整個系統(tǒng)可以分為地面部分和井下部分2大塊。其中，地面部分主要由地面工業(yè)以太環(huán)網、計算機、網關、防火墻以及數(shù)據(jù)服務器、Web服務器等部分構成，客戶端通過交換機可以對服務器中的數(shù)據(jù)進行訪問，掌握煤礦井下開采設備的點檢結果；井下部分包含工業(yè)以太環(huán)網和交換機，客戶端同樣通過交換機與工業(yè)以太環(huán)網實現(xiàn)連接，還包括電子標簽和點檢設備，點檢設備檢測得到的結果會輸入到客戶端中，并通過工業(yè)以太環(huán)網傳輸?shù)降孛娣掌髦羞M行存儲。

圖1 智能化點檢系統(tǒng)整體方案Fig.1 Overall scheme of intelligent spot check system

1.2 系統(tǒng)主要功能設計

(1)電子標簽功能?，F(xiàn)場點檢工作時需要使用識別卡，當前主要有2種類型的標識卡，分別為條形碼和RFID電子標簽。前者價格低廉，但使用環(huán)境和條件比較苛刻，后者主要是將芯片封裝在不銹鋼外殼內部，利用芯片記載相關數(shù)據(jù)信息，可以對其進行多次修改使用，具有數(shù)據(jù)存儲量大、環(huán)境適應性好、可遠距離識別等眾多優(yōu)勢[5]?；诖?，本系統(tǒng)中使用RFID電子標簽，一旦電子標簽接受到點檢設備發(fā)送的電磁波時，在電磁波驅動作用下，內部集成電路開始工作，并將點檢項目編號等相關數(shù)據(jù)信息通過無線方式傳輸?shù)近c檢設備中，確保其與現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)保持一致，形成一組點檢數(shù)據(jù)。

(2)點檢功能。本系統(tǒng)中使用的點檢設備即為工業(yè)測控儀器，作用是對煤礦開采設備的狀態(tài)信息進行采集。具體操作時配合使用變速器和各類傳感器等可以對設備運行中的電流、電壓、速度、加速度、位移、壓力、溫度等各類狀態(tài)信息參數(shù)進行采集。本系統(tǒng)中使用的點檢設備體積相對較小，屬于手持型設備，攜帶比較便捷，內置有嵌入式操作系統(tǒng)，配備液晶顯示屏，可通過觸摸屏與系統(tǒng)進行交互。點檢設備的結構框架如圖2所示。由圖2可知，該設備使用的處理器型號為ARM Cortex M4，具有RFID讀取模塊，主要是對電子標簽信號進行采集，還有各種信息采集模塊，數(shù)據(jù)加密以及傳輸模塊，電源供電模塊，其中電源模塊的作用是對設備其他硬件設施進行供電，確保能夠正常運行。實時時鐘模塊的作用是對設備的操作時間點進行記錄，時間記錄結果和檢測結果會一同通過藍牙模塊傳輸至客戶端。

圖2 點檢設備結構框架Fig.2 Structure frame of spot check equipment

(3)綜合管理平臺功能。綜合管理平臺的作用是對煤礦開采設備點檢的任務進行制定，對系統(tǒng)相關信息進行配置，對點檢結果進行綜合管理，統(tǒng)計分析得到想要的結果。具體而言，平臺可以分為5個一級模塊，依次為系統(tǒng)管理、任務管理、設備管理、缺陷管理和統(tǒng)計分析管理。

2 基于射頻識別系統(tǒng)的點檢數(shù)據(jù)采集

2.1 射頻識別系統(tǒng)的結構

射頻識別技術(RFID)屬于短距離無線通信技術，可以在短距離內通過無線電磁波對數(shù)據(jù)信息進行傳輸，且可以實現(xiàn)雙向傳輸[6]。射頻識別系統(tǒng)主要由3大部分構成，分別為天線、閱讀器和應答器，工作時閱讀器通過天線與電子標簽之間進行無線數(shù)據(jù)傳輸，對電子標簽內包含的內容進行識別讀取。閱讀器的結構框架如圖3所示，可以看出閱讀器主要由射頻模塊、讀寫模塊、電源電路以及處理模塊等部分構成。

圖3 閱讀器的結構框架Fig.3 Structure framework of reader

電子標簽是射頻識別系統(tǒng)中的重要構成部分，很多信息都會以電子標簽作為載體，電子標簽設置在被識別物體部位。根據(jù)有無供電電源，電子標簽可以劃分成為3大類型，分別為有源標簽、無源標簽和半有源標簽[7]。其中無源標簽的發(fā)展歷史最久遠，應用相對較為成熟，在很多工業(yè)領域均有應用，因此本系統(tǒng)中已使用無源標簽。無源電子標簽的結構框架如圖4所示，由圖4可知，無源電子標簽主要由射頻模塊、調制/解調模塊、整流器、控制模塊、存儲模塊等部分構成。

圖4 無源電子標簽的結構框架Fig.4 Structure framework of passive electronic labels

基于以上分析可以看出，無源電子標簽和閱讀器之間需要通過天線作為橋梁實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。電子標簽和閱讀器中均設置有天線，其中閱讀器天線必須具有良好的阻抗匹配特征。

2.2 射頻識別系統(tǒng)頻率的確定

電磁波的頻率特征是非常重要的物理量，其頻率大小會對無線傳輸過程的穩(wěn)定性和可靠性產生重要的影響。根據(jù)頻率高低可以將RFID系統(tǒng)的工作頻段劃分成為4類，分別為低頻、高頻、超高頻和微波，不同頻段均具有對應的特征。在綜合考慮設備成本、使用環(huán)境和系統(tǒng)需求的基礎上，本案例中確定的系統(tǒng)頻率為13.56 MHz。已有的實踐經驗表明，該頻段具有較快的數(shù)據(jù)傳輸速度，并且保密性能相對較好，最大識別距離可以達到1.5 m，完全能夠滿足本系統(tǒng)的實際使用需要。

2.3 射頻識別系統(tǒng)工作模式的確定

目前射頻識別系統(tǒng)的工作模式主要分為兩大類，分別為電磁波反向散射RFID系統(tǒng)和電感耦合RFID系統(tǒng)，本案例中選用后者作為工作模式。閱讀器對無源電子標簽的讀、寫操作流程主要如下：①閱讀器基于天線在一定半徑范圍內向外發(fā)射能量，并在周圍形成電磁場，電磁場強度大小與設備類型工作頻率等眾多因素有關系；②當閱讀器不斷向電子標簽靠近時，電子標簽中的天線會接受到電磁場，進而產生感應電壓和感應電流，在電子標簽芯片內形成回路；③當產生的感應電流大到一定程度后，電子標簽芯片激活，數(shù)據(jù)解調模塊對脈沖信號進行解調，將相關結果傳輸至控制模塊；④控制模塊接收到指令后，將相關數(shù)據(jù)信息進行調制后向外發(fā)送；⑤閱讀器對相關信息數(shù)據(jù)進行合法性驗證后即可接受數(shù)據(jù)信息。

3 點檢數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)脑O計

3.1 點檢設備與客戶端之間的數(shù)據(jù)傳輸

(1)傳輸方式確定。本系統(tǒng)中點檢設備與客戶端之間的數(shù)據(jù)傳輸需要使用短距離無線傳輸技術，目前此項技術的類型也有很多種，常見的包括WiFi、藍牙、RFID、ZigBee等，不同形式的無線傳輸技術均有其對應的優(yōu)勢。本系統(tǒng)充分結合實際情況，選用藍牙技術進行數(shù)據(jù)傳輸。工作時的頻率為2.4 GHz，傳輸距離10 m，傳輸速率為1 Mb/s。優(yōu)勢在于成本較低，容易操作。

（1）生物性危害。生物性危害包括了致病性微生物及所帶的毒素和寄生蟲，其中有些不引起食品感官變化的致病性微生物（如副溶血性弧菌、沙門氏菌、甲肝病毒、痢疾桿菌）的風險更大[1]，其往往是導致食物中毒和食源性疾病的主要致病源。比如，玉米、花生中的黃曲霉毒素、霉變甘蔗中的節(jié)菱孢霉毒素，均可引起嚴重的食源性疾病。寄生蟲有旋毛蟲、肝吸蟲、廣州管圓線蟲等。很多食物原料尤其是畜禽肉、禽蛋、水產和蔬菜，都可能污染致病性微生物和寄生蟲， 操作人員如攜帶病原菌也可污染到食品[2]。

(2)基于藍牙的數(shù)據(jù)傳輸工作流程。點檢設備和客戶端之間通過藍牙技術進行通信時，需要將點檢數(shù)據(jù)信息通過藍牙從設備用傳輸至客戶端中。本系統(tǒng)中的客戶端為基于安卓系統(tǒng)的平板電腦，通常自動配備有藍牙適配器，所以只需在點檢設備中配備藍牙裝置即可實現(xiàn)與客戶端之間的連接?；谒{牙技術的連接過程及數(shù)據(jù)傳輸過程工作流程如圖5所示。由圖5中可以看出，客戶端啟動以后首先需要進行藍牙連接，完成藍牙配對連接后系統(tǒng)會將尚未提交的點檢數(shù)據(jù)信息自動上傳至客戶端中。

圖5 藍牙連接及數(shù)據(jù)傳輸工作流程Fig.5 Workflow of bluetooth connection and data transmission

3.2 客戶端與服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸

(1)通信技術的選擇?？紤]到WiFi無線傳輸技術傳輸距離遠、傳輸速度快、組網價格便宜并且操作方便等眾多優(yōu)勢[8]。本系統(tǒng)中選用WiFi無線傳輸技術實現(xiàn)客戶端與服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸?？蛻舳伺c服務器連接后，一方面客戶端可以從服務器中下載點檢任務，另一方面可以將客戶端中的點檢結果數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)椒掌髦羞M行存儲。

(2)網絡連接流程圖。安卓系統(tǒng)對于超文本傳輸協(xié)議(HTTP)具有很好的兼容性，目前安卓系統(tǒng)中已經集成有HttpClient控件，利用該控件可以提供HTTP網絡接口?？蛻舳伺c服務器連接的工作流程如圖6所示。由圖6中可以看出，客戶端首先需要創(chuàng)建HttpClient對象，在此基礎上基于HTTP協(xié)議通過WiFi實現(xiàn)與服務器之間的連接，服務器對客戶端的請求作出響應，客戶端接受響應后可以獲取數(shù)據(jù)并對其進行處理。

圖6 客戶端與服務器連接的工作流程Fig.6 Workflow of client server connection

4 智能化點檢系統(tǒng)綜合管理平臺設計

前文已述，煤礦開采設備智能化點檢系統(tǒng)綜合管理平臺涉及到很多方面的內容，受篇幅限制，主要對軟件的整體結構、后端軟件架構設計以及繪制圖表的實現(xiàn)方法等進行詳細介紹。

4.1 軟件的整體結構

本文設計的點檢系統(tǒng)需要同時對客戶端和服務端進行應用軟件開發(fā)，且全部基于經典的MVC設計模式進行開發(fā)。這種模式的優(yōu)點在于能實現(xiàn)界面顯示和業(yè)務邏輯處理之間的分離，可以大大簡化應用軟件開發(fā)的流程[9]。MVC設計模式下各功能之間的請求流程如圖7所示。由圖7可以看出共有3大模塊，其中模型的作用是基于點檢數(shù)據(jù)采集結果開展邏輯處理工作，視圖的作用是對點檢結果進行顯示并與工作人員進行交互，控制器為模型和視圖之間的橋梁，從視圖功能中獲得用戶的輸入信息，然后將其輸入到模型功能模塊中。3大模塊之間的功能相對獨立，但彼此之間又存在緊密聯(lián)系。

圖7 MVC設計模式下各功能之間的請求流程Fig.7 Request flow between functions in MVC design mode

4.2 后端軟件架構設計

后端軟件的架構如圖8所示，從圖8中可以看出，整個后端軟件主要包括4個層級，分別為DAO層、事務層、控制層和表示層。其中，DAO層主要是對數(shù)據(jù)庫進行操作，可以對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行刪減、增加、修改以及查詢；事務層主要是對業(yè)務邏輯進行編寫，通過業(yè)務邏輯對保存在數(shù)據(jù)庫中的點檢數(shù)據(jù)信息進行處理，業(yè)務邏輯本身也會存儲在數(shù)據(jù)庫中，可以反復的調取利用；控制層主要是對客戶端的頁面請求進行接收，并將結果進行返回處理；表示層的作用是在客戶端頁面中將結果進行展示，也可通過界面來設置系統(tǒng)的參數(shù)和方法。

圖8 后端軟件的架構示意Fig.8 Schematic architecture of back-end software

4.3 繪制圖表的實現(xiàn)方法

圖9 繪制圖表的基本流程Fig.9 Basic process of drawing chart

可以充分結合實際情況，選擇不同類型的圖表，能夠繪制的圖表類型主要包括折線圖、柱狀圖、區(qū)域圖、餅狀圖、散點圖等，對于較為復雜的雙刻度、時鐘、速度計等儀表圖也能夠繪制。由圖9可以看出，利用該控件繪制圖表時，首先需要選擇圖表類型以及容器，然后對圖表基本屬性進行設置，最后選擇數(shù)據(jù)來源。

5 智能點檢系統(tǒng)的實際應用效果分析

將煤礦開采設備智能化點檢系統(tǒng)部署到煤礦工程實踐中，并對其各項性能進行調試，對出現(xiàn)問題進行升級、優(yōu)化、完善。系統(tǒng)經過調試后各項功能均能夠實現(xiàn)，且能實現(xiàn)長時間的可靠穩(wěn)定運行。智能化點檢系統(tǒng)的投入使用，使得開采設備點檢工作水平提升了一個臺階，點檢質量和效率均顯著提升。應用效果具體表現(xiàn)如下：

(1)點檢系統(tǒng)中設置有狀態(tài)聲光指示功能，一旦點檢過程中發(fā)現(xiàn)煤礦開采設備存在缺陷或故障問題，會向外發(fā)出聲光報警，以提示工作人員及時采取措施進行處理，從而防止開采設備產生較大的故障問題，進而實現(xiàn)設備安全隱患的高速處理。

(2)通過對煤礦開采設備運行中的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進行全方位的收集，并將其存儲到數(shù)據(jù)服務器中。結合先進的數(shù)據(jù)分析與挖掘技術，可以對設備的工作狀態(tài)進行預判，對設備潛在的安全隱患和故障問題進行提前預告。一方面可以采取對應措施進行預防，另一方面可以提前制定應對方案，從而縮短開采設備故障的排除時間。

(3)利用專業(yè)的手持式點檢設備開展工作，工作人員可以通過交互界面直接錄入相關內容，從而減小工作量。另外，設備會自動記錄相關操作的時間，防止個別責任心不強的人員隨意錄入點檢結果，規(guī)避虛假點檢、漏點等違規(guī)現(xiàn)象。

6 結論

(1)智能化點檢系統(tǒng)共分為2大部分，分別為井下部分和地面部分，2大部分均包括工業(yè)以太網環(huán)網。利用系統(tǒng)可以對煤礦開采設備的狀態(tài)進行智能化點檢，并將結果存儲在服務器中?；跀?shù)據(jù)挖掘技術可對設備狀態(tài)進行深入分析。

(2)手持點檢設備基于RFID無線射頻技術對無源電子標簽中的數(shù)據(jù)信息進行讀取，點檢設備與客戶端之間基于藍牙技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸，客戶端與服務器之間基于WiFi無線傳輸技術實現(xiàn)數(shù)字信息傳輸。

(3)智能化點檢系統(tǒng)的軟件整體結構共可以分為3大部分，分別為模型、控制器和視圖。后端軟件主要包括4個層級，分別為DAO層、事務層、控制層和表示層。前端使用Highcharts控件繪制圖表，可以獲得多種類型的圖表。

(4)將智能化點檢系統(tǒng)應用到煤礦工程實踐中，對其進行長時間測試后，各項性能均達到穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)的成功實踐應用使設備的點檢工作質量和效率均顯著提升，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經濟效益和安全效益。